中國生物工程學會會刊 ? ? 創刊于2005年

位置:主頁 > 人物 >

推動生物催化技術發展 加快精細化學品綠色制造產業化進程

——訪浙江大學楊立榮教授

時間:2018-05-23來源:未知 點擊:

《生物產業技術》 :現代工業生物技術和新型化 工技術的交叉融合為傳統加工技術的發展注入了新的活 力而備受關注,那么目前的融合情況如何,現代工業生 物技術又是如何協調資源、環境和行業發展間的關系?

楊立榮:工業生物技術是依托微生物與酶實現 物質的催化與轉化的現代加工與制造技術,幾乎所 有已知的有機反應類型都能找到相應的生物催化反 應過程。工業生物技術所特有的催化效率高、反應 條件溫和、副反應少、選擇性高、催化劑無毒可完全 降解、生產安全性高等優勢,完美地體現了綠色化原 則,是人類尋求的綠色化學過程。通過現代工業生物 技術和新型化工技術交叉融合和集成,實現化學品的 環境友好的綠色制造,可降低過程的原料、水和能源 消耗,避免或減少副產物的生成和廢物排放。這樣的 交叉和融合技術是一種全新的綠色制造技術,有助于 促進化學化工行業的可持續發展。 目前,國際上日益關注工業生物技術和新型化工 技術的交叉融合,工業生物技術已成為發達國家的重 要科技與產業發展戰略。近年來,前沿技術的突破推 動著工業生物技術的進步,促進國內外石化行業、制 藥行業不斷實行交叉融合的技術革新,制造方式在向 工業生物技術和新型化工技術的交叉融合實現高效、 節能、降耗、減排的可持續發展新模式轉變。隨著高 通量生物催化劑篩選技術、生物催化劑改造的合理分 子設計和定向進化技術、現代過程工程技術等領域的 進步,越來越多的新酶或賦予了新功能的酶被發現和 表達,并不斷應用于現代化學工業中,極大地推動 了工業生物技術和新型化工技術的交叉融合。這類 技術對于資源和能源相對缺乏,且經濟發展又需要 以環境優先的我國來說,具有非常重要的現實意義。

《生物產業技術》:生物催化與生物轉化技術介 入精細化學品的研究已成為發達國家的重要科技與產 業發展戰略,其在推動我國綠色制造及生物經濟的發 展方面取得了哪些進展?

楊立榮:和發達國家一樣,我國日益顯示出對 生物產業的重視,《“十二五”國家戰略性新興產 業發展規劃》將生物產業列入七大戰略新興產業。 2013年國務院發布的《生物產業“十二五”發展規 劃》,支持和鼓勵大生物產業(包括生物醫藥、生 物農業、生物制造、生物能源等)的發展。我國在 國家重大基礎研究項目(“973”計劃)和國家高技 推動生物催化技術發展 加快精細化學品綠色制造產業化進程 ——訪浙江大學楊立榮教授 doi:10.3969/j.issn.1674-0319.2016.05.007 人物訪談 www.yhtnjn.live 2016.05(9月). 生物產業技術 63 術研究發展計劃(“863”計劃)的支持下,在新生物 催化劑的發現、催化劑改造的方法學、生物系統催化的 理論和方法及重要生物催化體系的催化機理等方面有了突 破性進展;脂肪酶、腈轉化酶、氧化還原酶等酶的基礎和 應用研究處于國際先進水平,取得了一大批擁有自主知識 產權的研究成果;培養了一批具有較強自主創新能力的學 術研究團隊和產業化隊伍;工業生物技術應用于大宗化學 品和精細化學品的規模化生產已有許多成功實例。 近年來,我國生物制造產業規模快速增長,生物 發酵制品、生物基精細化學品以及生物基材料等產品 的產量和產值快速增加,目前從事生物制造的相關企 業有5000多家,總產值規模約15 000億元,現代生物 制造超過4000億元。除2014年之外,近10年來的年復 合增長率都超過兩位數,總體產業規模居世界第一。 “十二五”期間,生物技術在發酵、化工、制藥、紡 織、造紙、飼料等行業的應用,實現了污染物產生量 減少15%、化學需氧量(COD)產生量減少約200萬 噸、排放量減少約20萬噸、能耗降低10%以上、節約 用水10%以上。

《生物產業技術》:幾乎所有已知的有機反應類 型都能找到相應的生物催化反應過程,那么就整體工 藝而言,我國如何實現以生物催化為核心的生物技術 的產業化?

楊立榮:近些年,國內針對生物催化劑工程及 生物催化過程工程中的科學問題與關鍵技術開展了大 量的研究工作,并成功地對部分工業過程進行了綠色 改造。然而,作為一個相對新的領域,生物催化技術 的發展仍不成熟,就基于生物技術的“綠色化工”過 程而言,開發高效和相容性好的生物催化劑的能力和 手段仍然有限,生物催化技術和化學催化技術交叉融 合成功的工業過程還為數不多。因此,我國亟需圍繞 關鍵科學問題開展基礎研究,主要集中在以下兩個方 面。①工業屬性高效生物催化劑的設計與開發。生物 催化劑所固有的催化活性、專一性、穩定性等局限性 問題,尚難以適應實際工業過程的要求,迫切需要進 行面向綠色化工的新型生物催化劑的開發;針對綠色 化工系統,進行目標導向性的生物催化劑的高效開發 和功能強化,實現“量體制酶”。②工業屬性生物催 化劑的過程集成與調控。生物催化劑的工業屬性需要 與之相適應的反應系統以及相應的微環境與過程相互 調控才能得以實現,應針對綠色化工過程,建立高 效、經濟的反應系統,對催化過程實行有效調控,實 現“酶盡其用”。

從目前產業的發展態勢看,生物催化與轉化技術 的應用呈現鮮明的層次特征。在高端領域,充分發揮 生物催化劑的立體選擇性、區域選擇性和化學選擇性 等優勢,拓展其在醫藥中間體等高附加值精細化學品 制造中的應用;在中端領域,以生物質為原料生產生 物材料、大宗化學品,實現CO2減排,減緩溫室效應; 在低端領域,大力發展“低碳經濟”,利用低劣生物 質資源生產生物能源,降低污染,變廢為寶,實現節 能減排。據著名的精細化學品生產商Evonik公司(原 Degussa公司)預測,生物催化和生物轉化技術在精 細化學品中的應用比重將由目前的15%上升至2020年 的60%。我國在生物催化與生物轉化領域研究具有優 勢,應該合理布局其在高、中、低端各領域的基礎研 究和應用開發,取得核心技術,實現產業化應用,占 領制高點。

《生物產業技術》:近年來,生物制造手性化學 品領域取得了許多令人矚目的進展,特別是在生物制 藥手性化學品和醫藥化學品等高端領域,請您談一談 這方面的基礎研究和應用情況。

楊立榮:“十二五”期間國家重大基礎研究計劃 (“973”計劃)設立了“生物制造手性化學品的科學 基礎”項目,該項目圍繞手性生物制造的分子機理、 手性生物合成反應的調控機制和手性生物制造系統的 設計原理與方法等關鍵科學問題,在生物制造手性化 學品方面進行了卓有成效的基礎研究。成功解析了一 批酶蛋白結合手性小分子復合物的空間結構,如環氧 水解酶、羰基還原酶、異戊二烯轉移酶、脂肪酶等; 闡明了一些酶活性區域關鍵位點與小分子相互作用關 系,如環氧水解酶底物通道識別理論、羰基還原酶輔 酶空間位阻機制、脂肪酶手性識別新機理等。在此基 礎上,還針對手性用酶的底物通道、輔酶位阻和分子 手性識別位點進行理性設計和分子改造,顯著提高了 催化活性、底物選擇性和立體選擇性;以還原、酯 化、水解、縮合等反應為對象,闡明環境因素對生物 催化過程的影響及調控機制,實現了反應路線和性能 的精確設計和有效調控;成功構建了一批多酶耦聯催 化反應體系和化學-酶耦聯催化反應體系,合理融合不 同的生物轉化過程和化學轉化過程,實現了酶-化學級 聯反應過程的理性設計和集成。 項目還以他汀類藥物、手性農藥等重要手性化學 品或中間體的生物制造為目標,從手性砌塊、基元反 應、模塊設計、系統重構等多個層次研究模塊組裝、 優化和調控過程中存在的反應與傳質問題,闡明催化 體系中的手性識別、手性傳遞規律,建立了包括復雜 手性合成系統的重構與優化方法,重構了一批手性化 學品的生物合成過程,并成功進行了產業應用示范。

《生物產業技術》:用生物制造定向制造手性產 品因其高選擇性與環境友好性,在工業可持續發展中 顯示巨大的潛力,未來該綠色工藝的應用前景如何?

楊立榮:現代經濟的發展必須走出一條低能耗、 低污染、高效益的節約型經濟發展道路,而具有環境 友好、過程高效、可持續發展等顯著特點的生物加工 是新一代物質加工方式的必然選擇。以生物催化為核 心的工業生物技術在社會可持續發展的技術體系中的地 位已經被提到空前重要的戰略高度,以高立體選擇性酶 為主要手段的手性生物催化已成為國內外科學家的研究 熱點。制約生物加工發展及實現工業化進程的關鍵因素 是生物催化體系的適應性以及生物催化過程的穩定性。 如何發現和認識生物催化劑及其催化機制,并以此構建 具有廣泛適用價值的生物催化體系,以及通過過程調節 提高生物催化的穩定性和效率,對基于生物技術的精細 化學品綠色制造技術的產業化應用是非常重要的。

近年來, 隨著基因組學、蛋白質組學和代謝組學的 發展,高通量生物催化劑篩選技術、生物催化劑改造的 分子設計和定向進化技術、現代過程工程技術等領域的 進步,越來越多的新酶或新功能的酶被發現、研究和制 備。生物合成已成為天然或非天然化合物合成的重要工 具,并不斷應用于現代精細化學品的合成中,這極大地 推動了生物催化技術的發展,加快了精細化學品綠色制 造技術的產業應用進程。生物催化技術正在演變成可以 使合成化學家在使用生物催化技術時像使用其他合成技 術一樣方便,并開始廣泛地為化學家和工業界所接受, 其應用前景是非常廣闊和明確的。

腾讯彩票奖金计算器